機(jī)器人生產(chǎn)線布局與實(shí)踐應(yīng)用分析

引言

目前,智能制造新技術(shù)與數(shù)控技術(shù)的融合應(yīng)用發(fā)展迅速,并積累了大量豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)需要在符合產(chǎn)品工藝流程要求的基礎(chǔ)上,對(duì)工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床和相關(guān)工裝夾具進(jìn)行科學(xué)布局,通過(guò)聯(lián)網(wǎng)組線形成一體,同時(shí)借助PLC控制檢測(cè)技術(shù)和制造執(zhí)行系統(tǒng)MES數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析技術(shù),實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)加工,最終以其精確的空間定位、靈活性、自動(dòng)化檢測(cè)、安全可靠、上下料質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)大大提高企業(yè)的生產(chǎn)效率,促進(jìn)企業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由此,本文基于實(shí)踐背景,以企業(yè)實(shí)際需求為導(dǎo)向,提出了以軸類產(chǎn)品為基礎(chǔ)的自動(dòng)上下料機(jī)器人生產(chǎn)線設(shè)計(jì),旨在解決某企業(yè)傳統(tǒng)上下料生產(chǎn)線生產(chǎn)力不足、產(chǎn)品質(zhì)量難以保證等問(wèn)題。

1自動(dòng)上下料生產(chǎn)線的需求分析

根據(jù)企業(yè)發(fā)展需要,結(jié)合實(shí)地調(diào)研情況,為提升生產(chǎn)能效,某企業(yè)引進(jìn)自動(dòng)上下料智能產(chǎn)線,通過(guò)自動(dòng)化生產(chǎn),降低人力成本和工作強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)大批量加工,以期避免因操作人員個(gè)人誤操作而發(fā)生安全事故,提高企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)、機(jī)械化作業(yè)水平,并有效提升企業(yè)形象。

為滿足企業(yè)生產(chǎn)需求,科學(xué)合理地設(shè)計(jì)基于工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床應(yīng)用技術(shù)的智能制造生產(chǎn)線成為企業(yè)目前亟待完成的任務(wù)。本研究主要基于實(shí)際生產(chǎn)需求,借助數(shù)字孿生和計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)對(duì)智能生產(chǎn)線施工前的檢驗(yàn),以提高生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案的可行性、可靠性和合理性。

設(shè)計(jì)需求:制訂基于機(jī)器人的自動(dòng)上下料工藝,加工過(guò)程中各工序功能的實(shí)現(xiàn)由控制系統(tǒng)自行調(diào)節(jié)完成,保證材料自動(dòng)上下料的動(dòng)作定位迅速準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單緊湊,同時(shí)確保工位生產(chǎn)節(jié)拍的一致性:注重人機(jī)工程學(xué),考慮工人操作方便性,有效降低工人工作強(qiáng)度:考慮企業(yè)未來(lái)發(fā)展需求,根據(jù)企業(yè)提供的布局,盡可能結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有資源進(jìn)行生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì),同時(shí)生產(chǎn)線需要留有改善的空間,提高生產(chǎn)線環(huán)境適應(yīng)能力,方便日后維修或結(jié)合企業(yè)發(fā)展添加新功能。

2上下料生產(chǎn)線系統(tǒng)組成和工藝流程

本項(xiàng)目的銑扁位自動(dòng)化生產(chǎn)線是針對(duì)甲方企業(yè)軸類產(chǎn)品上下料作業(yè)所設(shè)計(jì),由1臺(tái)臥式銑床(甲方提供）、1臺(tái)上下料機(jī)器人(RB08）、2個(gè)上料倉(cāng)、1套抓手共同構(gòu)成實(shí)用、可靠的自動(dòng)化生產(chǎn)線。本方案還可以在生產(chǎn)同一工件時(shí),拓展成為一臺(tái)機(jī)器人服務(wù)兩臺(tái)加工機(jī)床,生產(chǎn)能力約120s/件（單臺(tái)機(jī)床）,場(chǎng)地布置不小于4000mm×4200mm,產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程不適應(yīng)機(jī)器人自動(dòng)化作業(yè)時(shí),可以按照企業(yè)要求做可行的修改,以滿足自動(dòng)化生產(chǎn)需要,如更換成液壓或氣動(dòng)卡盤(pán),自動(dòng)清理卡爪和頂尖的鐵屑,定期更換機(jī)床刀具,從而保證加工精度。

21加工工藝分析

銑軸加工是按照設(shè)計(jì)圖樣要求進(jìn)行毛坯工件的加工,結(jié)合設(shè)計(jì)精度和質(zhì)量要求,本工件需要在銑床上進(jìn)行加工,因此,本生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案主要采用1臺(tái)臥式銑床（甲方提供）和1臺(tái)上下料機(jī)器人（RB08）,同時(shí)借助上料倉(cāng)配置的視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)識(shí)別和翻轉(zhuǎn)。機(jī)器人抓手采用平移氣爪的抓取方式,雙抓手結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的快速換料。另外,該生產(chǎn)線以MES制造執(zhí)行系統(tǒng)為核心,借助PLC控制技術(shù)、數(shù)字孿生和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能制造,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制。

22工藝流程的制訂

作為自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),科學(xué)制訂工藝流程是整個(gè)生產(chǎn)線高效運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障。本生產(chǎn)線的工藝流程是設(shè)計(jì)人員通過(guò)與需求企業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行有效溝通而制訂。另外,設(shè)計(jì)人員還重點(diǎn)結(jié)合銑軸加工技術(shù)要求、加工精度、銑軸工件在加工過(guò)程各工序之間導(dǎo)向定位和信號(hào)檢測(cè)所需工藝節(jié)拍、企業(yè)生產(chǎn)布局特點(diǎn)等因素進(jìn)行綜合考慮,最終完成整套工藝流程的制訂。具體工藝流程如下:1料倉(cāng)取料→2換位緩沖→3變換抓取位置→4機(jī)床換料→5換位緩沖→6變換抓取位置→7放回上料位置→抓取下一個(gè)工件。加工過(guò)程中不斷重復(fù)以上流程,如圖1所示。

圖1工藝流程圖

3布局設(shè)計(jì)

在充分考慮物流優(yōu)化后系統(tǒng)單元的選擇和組合基礎(chǔ)上,通過(guò)結(jié)合企業(yè)提供的車(chē)間特點(diǎn),根據(jù)車(chē)間結(jié)構(gòu)特征和工藝約束進(jìn)行合理布局,最終不僅滿足生產(chǎn)的基本功能,還能確保在系統(tǒng)和布局上節(jié)約成本,且生產(chǎn)工藝過(guò)程連續(xù)、合理、緊湊,適應(yīng)多種類、多規(guī)格材料上下料要求。其布局圖如圖2所示。

圖2方案布局圖

本生產(chǎn)線布局中料倉(cāng)采用陣列型放料,料倉(cāng)每次可放置約144個(gè)毛坯,可保證每次上料連續(xù)生產(chǎn)4.8h,兩個(gè)料倉(cāng)可以連續(xù)生產(chǎn)9.6h,具體細(xì)節(jié)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)細(xì)化。機(jī)器人取料加工完成后,放回上料位,再抓取下一個(gè),逐排順序抓取,料倉(cāng)一全部加工完成,自動(dòng)跳到料倉(cāng)二抓取工件。此時(shí),人工可更換料倉(cāng)一工件。

機(jī)器人可分為機(jī)械系統(tǒng)（手腕、手臂、執(zhí)行器等）、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（電機(jī)、液壓、氣壓等）、控制系統(tǒng)（開(kāi)環(huán)/閉環(huán)）、感知系統(tǒng)（位置檢測(cè)、機(jī)器視覺(jué)等）。根據(jù)項(xiàng)目需求,本方案選用RB08機(jī)器人,包含機(jī)器人底座、傳感裝置、機(jī)器手爪和夾具等組成部分,如圖3所示。RB08有效負(fù)載為8kg,重復(fù)定位精度為±0.05mm,運(yùn)動(dòng)半徑為1389mm,最大允許的扭矩J₄為14N·m、J₅為12N·m、J₆為7N·m。本方案設(shè)計(jì)RB08機(jī)器人抓手采用平移氣爪的抓取方式,雙抓手結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的快速換料,電磁閥及傳感器控制,機(jī)器人自帶I/O與外圍設(shè)備進(jìn)行信號(hào)交接。RB08機(jī)器人采用在線示教編程,實(shí)現(xiàn)與PLC有效通信,完成對(duì)軸類工件的上下料。同時(shí),機(jī)器人與臥式銑床實(shí)現(xiàn)協(xié)同作業(yè),通過(guò)信號(hào)控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)銑床安全門(mén)的開(kāi)關(guān)和加工作業(yè)的啟停。

本生產(chǎn)線控制系統(tǒng)以MES為核心,實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面采集。同時(shí)根據(jù)工藝流程進(jìn)行模塊擴(kuò)展,采用PLC模塊,正確配置I/O,通過(guò)示教器編制多種應(yīng)用程序,滿足產(chǎn)品更新?lián)Q代及增加新產(chǎn)品的要求。

結(jié)合一天兩班制按工作16h計(jì)算,一個(gè)月按26天計(jì),在考慮機(jī)器定期維修保養(yǎng)、暖機(jī)以及準(zhǔn)備刀具、毛坯、工件搬運(yùn)等非生產(chǎn)工時(shí)后,根據(jù)本公司的經(jīng)驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)資料,本自動(dòng)化加工單元的使用率約為0.823。單臺(tái)機(jī)床加工單元的產(chǎn)量如下:

日產(chǎn)量:16×3600/120×0.823≈395件。

月產(chǎn)量:26×16×3600/120×0.823≈10271件。

如有兩臺(tái)加工機(jī)床,則產(chǎn)能可以翻倍。

4結(jié)語(yǔ)

基于工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)上下料生產(chǎn)線能夠有效控制工件質(zhì)量,使加工更加自動(dòng)化和智能化。筆者結(jié)合自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),介紹了基于工業(yè)機(jī)器人的軸類工件上下料智能生產(chǎn)線的設(shè)計(jì),利用智能制造核心支撐軟件,實(shí)現(xiàn)智能制造的新模式,能為不同企業(yè)提供個(gè)性化定制智能服務(wù)。目前該生產(chǎn)線已成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中,且運(yùn)行可靠穩(wěn)定,彌補(bǔ)了某企業(yè)在自動(dòng)化加工領(lǐng)域的短板,大大提升了企業(yè)生產(chǎn)效率。